【摘　要】北京地铁5号线充分体现轨道交通“以人为本、科技创新”的设计理念,采用多项新技术、新工艺,展现全新的轨道交通形象,在设计、施工及管理等很多方面都开创了北京乃至全国轨道交通建设领域的第一,如:开创在地铁开通运行之初就实现高密度4min间隔的新记录;在国内首次实施了AFC网络清算中心(ACC)、采用全高和半高安全门(PSD);首次系统解决了轨道交通与其他交通形式的衔接问题;在国际轨道交通工程中首次设计了曲线梁斜拉桥、首次全面开展北京地区特有地层条件下地铁盾构隧道设计施工技术研究并成功应用;在国内外暗挖地铁建设中首次设计和实施了22.6m大跨度单拱单柱双层岛式暗挖结构;在国内首次提出并成功实施的轨道交通路网指挥中心(TCC),使轨道交通网络线路间的指挥协调以及轨道交通与城市防灾系统的联动成为现实,为网络化轨道交通的安全运营提供了保证。

【关键词】北京地铁5号线　以人为本　技术创新　绿色环保

 

1、北京地铁5号线概述

      北京地铁5号线是奥运承诺工程之一,线路全长27.6 km,车站23座,于2002年底开工建设, 2007年10月通车试运行。通车2年多来,运行状况良好,发挥了巨大的社会效益。

      北京地铁5号线是北京新一轮轨道交通建设时期的首条线路,工程的设计始终贯彻“以人为本、技术创新、绿色环保、安全可靠、经济实用、设备国产化”等原则,并得以实现。

      5号线(见图1)沿线环境、地质条件复杂、管线与建(构)筑物众多,全线与已建或规划的10条轨道交通交叉、换乘;线路穿越5条河流,结构形式与施工方法多样,几乎采用了国内所有的辅助施工工法。

      线路分别下穿了2号线崇文门区间、上跨1号线王府井—东单区间、下穿2号线雍和宫站,距离地铁1号线东单站顶部仅0. 5m,这也是迄今为止北京地铁隧道建设中与原建筑物最近的距离。沿线还经过了天坛、雍和宫、地坛等世界文化遗产和重点文物古迹,通过一系列技术创新、优化设计,很好地保护了沿线的文物。

      2007年10月7日,北京地铁5号线实现了高水平开通,国内首次在开通之日即实现了全线全部系统的开通,并在国内首次实现了开通即达到高峰时间4min的行车间隔。经过2年多的运营,线路结构稳定,设备运行良好,满足设计及使用功能,质量 总评为优良。北京地铁5号线在北京乃至全国城市轨道交通建设史上有着其重要的地位,是一条具有示范效应的典范工程,及重要的里程碑;是首条贯通北京南北的地下交通大动脉,在社会生活中发挥着越来越重要的作用,大大缩短了沿线居民的出行时间,减轻了地面交通的压力,节约了能源,同时极大地促进了沿线经济发展,显示出令人惊叹的“地铁效应”。该线是在新的历史时期、新技术时代建设的地下轨道交通,对北京乃至全国的地下轨道交通建设有着积极的影响。

2、设计技术创新

      北京地铁5号线设计采用了35项国内乃至国际首创的新技术、新工艺,使轨道交通的建设水平达到了新的高度。

2.1 人性化服务方面的设计技术创新

      1)地铁5号线在国内首次设计了完备的乘客信息系统(PIS),可以为乘客提供车站、列车、车站周围环境、新闻、公交、新闻资讯等各项信息查询,首次实现了列车上无线网络的实时转播,乘客可以在列车上实时观看奥运电视节目。

      2)地铁5号线是北京第一次采用非接触式IC卡自动售检票系统(AFC系统),并在国内首次实施了AFC网络清算中心(ACC)。采用了与城市一卡通兼容的制式,方便了广大乘客乘座地铁和地面公交,还实现了地铁各条线路间的互通互联、一票换乘。

      3)在国内首次采用全高和半高安全门(PSD),有效保证了地铁5号线乘客的候车和乘车安全,改善了车站内部的环境,使乘客的乘车环境更加舒适。

      4)首次在北京地铁车站采用标准化、系统化的装修设计,通过人性化的理念和现代化的材料,创造了雍容、大气、持续、民族、现代的地下文化空间。例如,雍和宫站以其独特的车站形式及瑰丽的装修风格,成为北京地铁5号线的标志站,也是北京市轨道交通的一道亮丽风景,见图2。

      雍和宫站的装修设计立意,力求与地面上的雍和宫建筑群整体风格神似。充分运用了独特的设计手法,展示了车站空间的宏伟与大气、站台高低错台的变化,设计中注重材质、尺度的把握及装修细部的处理,利用现代的材质展现了传统的神韵。站厅采用金色的电解氧化铝回字形方通和银色方通组合的天花。站台高低错台处采用仿古汉白玉石材栏杆,柱子采用红色,并加柱头装饰。南北两端站厅与站台间楼梯对面的墙上采用锻铜浮雕,为仿藏传佛教唐卡图案,起到了画龙点睛的作用,将艺术融入了地铁建筑设计之中。

      5)首次系统地解决了轨道交通与其他交通的衔接问题:在车站周围,设置了完善的步行系统;设置了公交港湾,将其他公交系统引入,地铁与其他公交站点的距离不超过80m;全线设置大量的自行车停车场;设置方便的出租车港湾;在线路起终点设置P+R停车场,方便私人小汽车的换乘。

      6)在北京首次系统性地设计了导向标识系统。地铁5号线的导向标识系统,不仅包括站内,还包括站外500m范围,大大方便了乘客。

7)北京地铁首次系统地采用全程无障碍设计,方便残障人员乘座地铁。其中包括出入口的轮椅升降台或直升电梯、楼梯扶手上的盲文提示、系统的盲道设置、无障碍卫生间、车上的专用轮椅车位和固定装置等。

2.2 土建方面的设计技术创新

      1)首次全面开展北京地区特有地层条件下地铁盾构隧道设计施工技术研究并成功应用,开北京地铁采用盾构法施工之先河。针对北京地区特有的地质条件,首次系统全面地开展了对盾构法从管片设计、管片生产和盾构施工等各个方面的研究,为北京地铁后续工程大量采用盾构法施工奠定了坚实的基础,创造了良好的技术经济和社会效益。在地铁5号线之后,盾构工法已经成为北京地铁区间隧道施工的主要工法,见图3。

      2)在国际轨道交通工程中首次设计了曲线梁斜拉桥,见图4,斜拉桥及铺轨技术的成功应用,为今后轨道交通高架桥跨越城市江河提供了宝贵经验。第一次采用反向平曲线与竖曲线重叠设置的斜拉桥,成功解决了斜拉桥曲线梁抗扭、曲线梁斜拉桥主塔及基础承受偏心径向力等难题,首次利用“无应力索长法”进行曲线梁斜拉桥空间的安装监控。

      3)在国内首次研究设计了单拱三跨暗挖车站隧道结构,成功解决了工程难题,避免了对地面交通和城市正常生活的影响。首次提出采用一个外单拱、内配多跨形式的暗挖地铁车站结构,巧妙地解决了大跨浅埋隧道轴力连续传递的问题,在结构形式上较以往的地铁暗挖车站有所创新和突破。该隧道结构形式,分别成功应用于东单站、东四站及张自忠路站3座车站,结合车站两端的明挖站厅,形成了新型端头厅式车站形式,有效解决了线路浅埋和暗挖跨路口的矛盾,减少了车站埋深,避免了大量市政管线拆除。该车站设计充分利用了中部暗挖结构的拱顶空间,形成了独特的站台空间效果。此类型的车站在今后有较好的适用空间。

      4)在国内首次设计了采用多层多跨平顶暗挖工法施工地铁车站,成功解决了工程难题。雍和宫车站总宽度31.45m,由于受二环路不能中断地面交通的限制,无法采用明挖法施工,而此处车站顶部10. 4m的覆土厚度又无法采用传统拱形断面暗挖工法实施,结构上方有污水、燃气等7条重要的地下管线,工程实施风险和难度极大。通过研究,采用多层多跨平顶暗挖工法成功实施,将宽31. 45m、高13.57~18.37m的隧道断面分22个导洞分别实施,解决了工程难题,大大突破了以往平顶暗挖工法的应用记录。在工程实施中的主要创新点有:在国内外首次提出了多导洞(22个导洞)“跳格法”暗挖多层多跨矩形框架地铁车站的设计和施工工法;首次采用逆作法和顺作法相结合的多层多跨矩形框架暗挖地铁车站设计施工技术;首次提出了在拆除临时中隔墙、中隔板时采用脚手架和模板体系进行横向和竖向受力转换的技术措施;采用动态监测和信息化设计、施工,找出了多导洞施工关键工序和过程中沉降变形、结构受力等规律,为今后类似工程提供了重要的参考和依据。

      5)在国内外暗挖地铁建设中首次设计和实施了22.6m大跨度单拱单柱双层岛式暗挖结构。采用了世界上最先进的地磁地下定位系统进行导向控制,确保超前长管棚导向成孔精度,有效地保证了超前长管棚施工质量,成功解决了146m超长管棚施工技术,避免了大量的工程拆迁。

       蒲黄榆车站采用22. 6m大跨度单拱单柱双层岛式结构暗挖车站,此结构形式在国内外暗挖地铁建设中尚属首次应用。单柱结构充分利用了车站开挖空间,缩短了车站长度和站台长度,最大限度地利用了开挖空间,并降低了造价。

      6)应用创新的管幕法暗挖车站技术,并在国内首次设计了液压管式自动化监测设备对既有地铁结构的变形和沉降情况进行实时监测,成功穿越运营着的地铁线路,除避免了既有地铁中断运营和影响居民出行外,也为今后类似工程提供了宝贵的经验。如:崇文门站成功从既有环线隧道下方暗挖穿越,两者之间的距离仅1.98m。东单车站成功暗挖上穿复八线地铁,两者结构间的净距只有0. 5m。为满足既有车站与新建车站的换乘功能,设计需要破除既有车站结构底板,在地铁工程中首次应用了静态破碎法,避免了爆破对既有地铁运营的影响。

      7)首次成功研究设计了在隧道洞内托换桥梁桩基技术。蒲黄榆至天坛公园东门区间,对侵入隧道的桥梁桩基创造性地采用洞内托换技术,采用隧道与支护层植筋、部分剥桩后,第一层托拱结构和断桩后第二层托拱结构,逐步转换桩基荷载,限制桩基变形。逐步释放托换过程中的桩基变形,能够确保隧道衬砌安全,实际隧道开挖施工引起的地面沉降仅12.0mm,最大桩顶沉降25.0mm,各桩最大沉降差5. 06mm,施工中和道路开通、车辆运行后未发现任何墩梁开裂与破损,桥梁安全。

      8)首次在轨道交通高架桥工程中设计了塑料波纹管真空辅助压浆技术。轨道交通多采用三轨供电,塑料波纹管不导电,可以有效防止杂散电流腐蚀。塑料波纹管的耐腐蚀性能远远优于金属,不怕酸、碱腐蚀,它本身不腐蚀,能有效地保护预应力筋不受腐蚀,从而保证了预应力结构具有更好的耐久性。

2.3 设备方面的设计技术创新

      1)在国内首次提出并成功实施的轨道交通路网指挥中心(TCC)使轨道交通网络线路间的指挥协调以及轨道交通与城市防灾系统的联动成为现实,为网络化轨道交通的安全运营提供了保证,见图5。

网络综合控制中心集合了北京14条轨道交通线路的控制中心,充分实现了资源共享和集中管理;国内首次实施的轨道交通全网络指挥中心可实现对全部轨道交通线路的指挥协调,并可与城市防灾中心连通作为城市防灾中心的一部分。

      2)地铁5号线是北京第1条设计与实施地铁设备综合监控系统(ISCS)的线路。综合监控系统的采用可以整合地铁设备资源以及资源的信息管理,使控制中心、车站和就地的调度自动化成为可能,使地铁运营的自动化管理水平有了大幅度的提高。在全线地下区间设置了区间光纤感温探测系统,能够对区间火灾进行精确探测和定位,方便火灾救援。

      3)首次设计与实施了“新型闭式集成通风空调系统”,将车站公共区通风空调系统与区间隧道通风系统设备集成设置,减少平时闲置设备,降低系统的机房面积;取消了车站公共区组合式空调机组,设置了可自动开启风道表冷器,节省了机房空间及运行能耗;车站送排风机采用变频控制,可满足不同通风工况的通风参数要求;该系统还可以根据季节、时段对通风空调系统进行全过程、精细化和智能化控制。

采用新系统的通风空调机房及土建风道面积一般可比传统系统节约面积500~800m2,车站长度缩短近20m,经济效益明显。该系统技术已被列为2007年建设部城市轨道交通专项技术推广项目。

      4)在国内首次采用了多项轨道新技术、新产品。

5号线全线一次铺设无缝线路,线路具有较高的平顺性、稳定性。首次在国内轨道交通较高减振地段采用技术领先的第二代轨道隔振器扣件,具有自主知识产权;首次在国内轨道交通整体道床地段实现接触轨与走行轨“一体化”的设计与施工技术;首次在国内城市轨道交通中采用了60 g/m钢轨9号道岔3.6m间距单渡线,大大降低了工程投资;首次在国内试铺了国际先进水平的梯形轨枕减振轨道结构;首次在国内轨道交通采用国际先进的减振扣件,在不改动道床结构,仅更换高性能减振扣件的前提下,使沿线的敏感环境振动点达到了国家标准。

      5)首次在国内轨道交通大跨斜拉桥地段采用整体道床结构,针对预拱度大、徐变时间长、整体道床调整量小等难点,探索出一套设计、施工及竣工验收标准。

      6)首次在北京高架段采用了高等级的声屏障,车辆段的废水采用中水处理等多项新技术,使5号线更加环保。

      7)在北京地区第一次采用了与线路差动保护相结合的10 kV双环网供电技术,实现了10 kV双环网系统保护的速动性与选择性,提高了供电系统的可靠性和灵活性;在北京地区牵引网第一次采用了钢铝复合接触轨;在国内第一次采用了代表国际先进技术、节能环保的电容储能技术。不仅可利用车辆制动能量,节约电能、减少运营成本,且可稳定牵引网电压,体现了节能环保的设计理念;全线设置了钢轨电位限制装置,确保了乘客和工作人员的人身安全,体现了以人为本的设计理念;在北京第一次在变电所出口牵引网设置了越区纵向隔离开关,提高了整个牵引供电系统的供电能力和可靠性。

3、实施效果

3.1 创造北京地铁客流效益之最

      北京地铁5号线开通以来,最大日客流量已经达到80.2万人次,高峰小时断面流量已达2.97万人次/h,地铁效应凸显,目前北京地铁日均客运量已达376. 9万人次,创造北京地铁客流效益之最。北京地铁5号线的开通,使国家、地方两级政府对轨道交通重要性、迫切性的认识提升到新的高度。

3.2 开创地铁开通运行高密度间隔新记录

      北京地铁5号线充分体现了轨道交通“以人为本、科技创新”的设计理念,采用了多项新技术、新工艺,开创了许多轨道交通领域的“第一”,展现了全新的轨道交通形象。5号线在开通之初高峰就达到4min间隔,这在全国地铁也是第一次,为今后新建地铁线路作出了榜样。同时,北京地铁5号线以其雍容、大气、持续、民族、现代的风格,创造了北京地铁独特的文化空间。

3.3 建立统一标准和风险评估体系

      北京地铁5号线改变了北京的地铁以前建设过程中只有零散标准的状态,首次形成了北京地铁完整系统的技术标准、验收标准、风险评估体系、施工监测体系等,为规范北京和全国地铁建设、加快建设步伐、提高工程质量起到了极大的示范作用。

4、结语

      北京地铁5号线的设计理念、设计方法、设计技术和创新思维,大大推动了轨道交通建设事业的技术进步,提高了轨道交通运营的安全性、快捷性、舒适性、节能环保,其总体水平达到了国际先进水平,同时也为新北京、新奥运增添了一条安全快速、绿色环保的轨道交通,为缓解北京市交通拥堵、带动经济发展、适应现代国际化大都市的发展需要,做出了重要的贡献。

北京地铁5号线工程获奖情况:

      1.“北京地铁5号线盾构隧道设计与施工技术研究”获2003年度北京市科学技术奖二等奖;

      2.“城市复杂地区辐射井降水技术研究”获2005年度北京市科学技术奖三等奖;

      3.“北京地铁5号线工程”被评为“2005年度北京市政基础设施结构长城杯金质奖工程”,获“第八届中国土木工程詹天佑奖”、“北京市第十四届优秀工程设计一等奖”、“2004年北京市经济技术创新工程优质成果奖”、“中国建设工程鲁班奖”、“北京市奥运工程落实三大理念优秀勘察设计奖”、“第二届中国建筑学会暖通空调工程优秀设计一等奖”,获首都劳动奖状;

      4.崇文门站—东单站区间、宋家庄—刘家窑站区间、和平里北街—和平桥站区间、蒲黄榆—天坛东门站区间均被评为“2005年度北京市政基础设施结构长城杯金质奖工程”;

      5.张自忠路站、崇文门站、宋家庄站、雍和宫站、东四站、太平庄车辆段工程均被评为“2007年度北京市政基础设施结构长城杯金质奖工程”;

      6.清河小半径曲线斜拉桥关键技术研究获“北京公路学会科学技术一等奖”。

获专利情况:

      1.国家发明专利———“新型地铁通风空调多功能集成系统”(ZL03101900.5 )、“盾构隧道壁后注浆惰性浆液”(ZL02158588.1 );

      2.国家实用新型专利———“混凝土制品自动控温装置”(ZL03240620.7 )、“单模位混凝土制品蒸养罩”(ZL03240619.3 )、“双刚度轨道隔振器”(ZL2005102007881 )。

 

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